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硕士学位论文2 , 6 二甲基吗啉及其衍生物的合成和工艺研究 摘要 2 , 6 二甲基吗啉是一种重要的农药和医药中间体，本文以浓硫酸为催化剂和溶剂， 由二异丙醇胺在低温和高温两种不同的环境下环化脱水制备2 ，6 二甲基吗啉，并研究其 最优条件，获得最好的产率8 8 5 9 。同时，利用精馏柱来研究其顺反2 ，6 二甲基吗啉以 及水的分离工艺，获得纯度9 9 以上的顺式一2 ，6 一二甲基吗啉和反式2 ，6 二甲基吗啉。接 着，我们对反式2 ，6 二甲基吗啉的异构化进行了研究，采用不同的复合金属为催化剂， 将反式2 ，6 二甲基吗啉在最优化的条件下转化为顺式2 ，6 二甲基吗啉，其最优的产率达 到5 0 ，选择性达到了9 0 。另外，本文也完成了2 , 6 二甲基吗啉的下游产品顺式2 ，6 二甲基4 异十三烷基吗啉的合成路线。采用顺式2 ，6 二甲基吗啉，在碳酸钠为碱性催化 剂的条件下，和溴代异十三烷在1 1 0 。c 脱溴化氢获得，产率可以达到7 9 3 2 。 关键词：2 ，6 二甲基吗啉，异构化，顺2 ，6 二甲基- 4 异十三烷基吗啉 a b s t r a c t 硕士学位论文 a b s t r a c t 2 ，6 - d i m e t h y l m o r p h o l i n ei sv e r yi m p o r t a n tm e s i a ls u b s t a n c eo fc u r a t i v ea n ds a f e g u a r d r e a g e n to fa g r i c u l t u r e i nt h i sp a p e r ，w i t hd i i s o p r o p a n o l a m i n ec o n t a i n i n gf r o m0t o2 0o f w a t e rf o rt h er a wm a t e r i a l ，2 ，6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n ec o u l db es y n t h e s i z e dw i t ht h eo v e r a l l y i e l do f8 8 5 9 t h er e a c t i o nc o n d i t i o n s w e r er e a c t i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( h i g h t e m p e r a t u r ea n dl o wt e m p e r a t u r e ) ，c o n c e n t r a t e ds u l f u r i ca c i da st h ec a t a l y s ta n ds o l v e n t a t t h es a m et i m e ，w er e s e a r c h e dt h ea r t sa n dc r a f t so fs e p a r a t ec i s - 2 ，6 - d i m e t h y l m o r p h o l i n e ， t r a n 一2 6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n ea n dw a t e ru s e db yr e c t i f i c a t i o n ，o b t a i n i n gc i s - 2 ，6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n ea n dt r a n 一2 ，6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n ew i t h9 9 p u r e n e s s c o n t i n u i t y , w ea l s o r e s e a r c h e dt h ei s o m e r i z a t i o no fc i s - 2 ，6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n e ，c i s 一2 ，6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n e w a sm a n u f a c t u r e db yc a t a l y t i ci s o m e r i z a t i o no ft r a n 一2 ，6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n ea tt h eo p t i m u m c o n d i t i o nw i t hd i f f e r e n tm e t a lc o m p l e xa sc a t a l y s t t h eo p t i m u my i e l dc o u l dr e a c h5 0 a n d b e s ts e l e c t i v i t ya l s oc o u l dr e a c h9 0 i na d d i t i o n ，w ew e r ea l s os e e i n ga b o u tt h ep r e p a r a t i o nr o u t eo ft h ed o w n r i v e rp r o d u c to f 2 ，6 - d i m e t h y l m o r p h o l i n e w i t h2 ，6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n ea n d1 - b r o m o - i s o t r i d e c a n e a sr a w m a t e r i a l ，2 ，6 - d i m e t h y l 一4 - i s o t r i d e c y l m o r p h o l i n ew a sp r o d u c e da tll0 * ct e m p e r a t u r e ，n a 2 c 0 3 a st h ec a t a l y s t t h ey i e l dc o u l dr e a c h7 9 3 2 k e y w o r d s ：2 ，6 - d i m e t h y l - m o r p h o l i n e ，i s o m e r i z a t i o n ，2 , 6 - d i m e t h y l 一4 一i s o t r i d e c y lm o r p h o l i n e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：垂丝盔妒噌年6 月比日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：沙9 年6 月冶日 硕士学位论文 2 , 6 - 二甲基吗啉及其衍生物的合成和工艺= 研究 1 绪论 自1 9 7 6 年第一套用二甘醇和氨加氢合成吗啉装置投产以来【l 】，吗啉真正实现了工业 化生产，吗啉这个名词走进了人们的日常生活，吗啉的衍生物也蓬勃的发展开来。9 0 年代以前，我国吗啉和其衍生物完全依赖进口，1 9 9 2 年后，我国才开始吗啉的工业化生 产。 随着我国橡胶工业尤其是轮胎工业的快速发展，刺激和推动了吗啉工业的发展，吗 啉及其衍生物已成为我国热点的精细化工产品，许多科学院所对它们的合成技术进行了 大量的研究【2 】。近年来，吗啉及其衍生物的新用途不断被开拓，如新型农药和医药、化 纤行业溶剂、p h 值调节剂、气体吸收剂、合成除草剂、人造纤维的环保型溶剂、金属 腐蚀抑制剂，其中金属气体防锈剂，已广泛用于机械仪表、汽车、医疗器械等领域，我 国在这方面刚刚起步。 吗啉及其衍生物在医药方面的应用也是非常之广泛的【3 1 。例如：n 氨丙基吗啉 ( a p m ) 是一种重要的医药中间体，主要用于生产新型抗抑郁药物。本文所研究的2 , 6 二甲基吗啉和2 , 6 二甲基4 异十三烷基吗啉都是重要的农药和医药中间体。 1 1 物质结构及性质 州h 一鑫， 2 c g 九t 叩嘴字繇也 l 绪论硕1 ：学位论文 2 6 二甲基4 异十三烷基吗啉 2 , 6 二甲基4 异十三烷基吗啉( c 1 9 h 3 9 n o ) ，又叫十三吗啉，英文名是2 ，6 一d i m e t h y l 4 - i s o t r i d e c y l m o r p h o l i n e 。为黄色，有刺激性气味挥发性液体，分子量为2 9 7 5 9 ，密度为 o 8 6 ，沸点为1 3 4 。c 0 0 6 7 k _ p a ，闪点为1 4 2 ，微溶于水，溶于大部分的有机溶剂。遇明 火、高热可燃。受高热分解，放出有毒的烟气。有毒性。大鼠经口l d 5 0 5 5 8 m g k g ； 大鼠经皮l d 5 0 ： 4 0 0 0 m g k g ；兔经皮l d 5 0 ：13 5 0 m g k g 。 1 2 物质的应用 1 2 12 , 6 二甲基吗啉的应用 随着我国工业的发展，越来越多的精细化工中间体成为我国化工工业的支撑，吗啉 就是其中一种精细化工中间体，但是，随着技术的进步，产量的提高，吗啉已经满足国 内的需求，随之，吗啉的衍生物成为研究的热门和重点。因此，在这种情况下，研究吗 啉的衍生物成为一种必然，2 ，6 一二甲基吗啉就是吗啉的衍生物之一。 2 ，6 二甲基吗啉是氮氧杂环化合物，可以用它来制备多种精细化合物，例如，它可 以用来合成表面活性剂n 异十三烷基一2 ，6 二甲基吗啉【4 】，同时它也可以作为抗真菌药阿 莫罗芬 5 】的原料，也可以制备成橡胶硫化促进剂和防锈剂、防腐剂、清洁剂、除垢剂、 止痛药、局部麻醉剂、水果保鲜剂、纺织印染助剂 6 。】等等，在橡胶、医药、农药、染 料等领域运用广泛。 2 ，6 一二甲基吗啉带有仲胺基团，具有仲胺基团的所有典型反应特征。与无机酸反应 生成盐，与有机酸反应生成盐或酰胺。可进行烷基化反应，还可以与环氧乙烷、酮反应 或进行w i l l g e r o d t 反应【8 。由于2 ，6 - - - 甲基吗啉所具有的化学性质，使其成为具有重 要商业用途的精细石油化工产品之一，用途非常广泛。 1 2 22 , 6 二甲基4 异十三烷基吗啉的应用 2 ，6 二甲基4 异十三烷基吗啉作为吗啉类的衍生物，它是一种重要的农药中间体， 它本身为内吸性杀菌剂，兼具铲除及保护作用，可通过叶面及根部吸收。2 ，6 二甲基4 异十三烷基吗啉也可用来防治谷类作物上的禾白粉菌( o 5 0 7 5 l h a ) ，香蕉上的球腔菌 属( o 6 0 9 1 h a ) ，茶上的c a t i c u ms o l m o n i c o l o r ( 0 2 0 5 1 h a ) ，橡胶树上的橡胶树粉孢 ( 0 2 0 4l 1 1 a ) 及坏损外担子菌。 1 32 ，6 二甲基吗啉的传统合成 由于近年来2 , 6 二甲基吗啉展现的广阔应用前景，2 , 6 二甲基吗啉的合成及其应用 研究也越来越多的得到世界各国学者的关注。纵观其合成的发展，主要有以下几种合成 方法。 ， 硕士学位论文2 , 6 。二甲基吗啉及其衍生物的合成和工艺研究 ( 1 ) 二异丙醇胺环化脱水制备1 9 - j 这种合成方法最早由s u m m e r s 在1 9 6 3 年提出的。反应是在高温下( 1 8 0 c 一2 2 0 c ) ， 用浓硫酸为催化剂，同时也是氨基保护剂，然后使二异丙醇胺发生分子内的脱水成环， 形成2 ，6 二甲基吗啉的胺盐溶液，在利用强碱来脱保护，最终获得产物2 , 6 一二甲基吗啉 的水溶液。水溶液在通过苯的共沸蒸馏而除去水获得无水的2 , 6 一二甲基吗啉。 宁h 3伊3 n：幽佣墨、心h2q出,o+fie(；hoh 。 h ， 亡h 3 e h 3 该合成方法有它的优点就是原料易得，而且价格便宜，并且可以获得比较好的产率， 但它也缺陷的地方，当我们考察过2 , 6 二甲基吗啉的性质以后就会发现，用苯蒸馏除水 是行不通的。而且在他所提的条件下不可能获得那么高产率，这一点在1 9 8 5 年由g o e t z e ta 1 发表的专利中也被证明了。在高温的条件下，由于浓硫酸的强氧化性，易于使原 料c 化和形成大量的焦油。最终很难获得较高的产率。 ( 2 ) 反式2 ，6 - 二甲基吗啉的异构化1 1 0 - 1 4 1 该合成方法是最早由g o e t ze ta 1 在1 9 8 0 年提出来的。反应是在高压( 1 0 m p a - 一 2 0 m p a ) 高温( 1 5 0 一2 5 0 ) 下，选择第八族贵金属作为催化剂，在通氢的情况下进 行异构化反应。 该反应的缺点就是催化剂使用太过昂贵，而且催化剂的回收利用率也不是很高，其 次反应的条件比较苛刻，必须是在高温高压的条件下，而且反应的压力都超过了 1 0 m p a ，不利于生产的安全。 ( 3 ) n ( 2 羟基丙基) 2 , 6 二甲基吗啉的脱烷基化反应1 1 5 l 该合成方法最早是由p i n k o se ta 1 在1 9 9 5 年提出来的。反应是在2 5 0 。c 4 0 0 。c 下， 在氮气的保护下，利用金属氧化剂如氧化锌，氧化镁等催化脱烷基化。 o 李筝3 该反应同样也需要高温的反应条件，而且要在无氧的环境下反应。原料的价格要比 产物的市场价格要贵，这样违背了工业生产的一般规律。这反应的最大的弱点就是产率 很低，最高的产率也不超过4 。 翟 h h 篙u 兰 $ 乜 p 忿 l c “u l 绪论硕j 二学位论文 1 4 本论文研究的目的及内容 以上这些传统的合成方法不是所用的原料不易获得，就是用到一些比较昂贵催化 剂，并且反应的条件比较苛刻。在面临这些问题的情况下，我们迫切需要寻求一条相对 比较合理优化，反应原料易得的，反应条件不是很苛刻的合成路线，同时也要满足大工 业化生产的必要条件，于是我们选择了由二异丙醇胺这种相对比较易得的工业原料作为 反应的起始底物通过改变反应的条件而获得理想的产率。 本课题所采用的这条合成路线很好的解决了前面合成中存在的一系列问题。具体方 法是通过二异丙醇胺，在浓硫酸为催化剂和仲胺保护剂的条件下，在低温下反应，最后 用强碱来脱保护获得目标产物。同时，本文也改变异构化所使用的昂贵催化剂，选用比 较廉价的催化剂以获得顺式2 ，6 二甲基吗啉。我们也制备了2 , 6 二甲基吗啉的下游产物 2 , 6 二甲基4 异十三烷基吗啉，为研究2 , 6 二甲基吗啉的衍生物提供了参考。具体的研 究情况将在以下的章节中逐一进行介绍，本文也就是在这种指导思想下开展研究工作 的，具体合成路线如下所示： h 2 。芒h o h 9 8 h 2 s 0 4 c h o h 。n c h + n z 。 ，c 一 亡h 3 6 h 3 二异丙醇胺 2 ，6 一二甲基吗啉 c h 3 h 3 如c 剁心c h o c h ，c p b h z s m 一5、c h ，c 舀 c h 3 c h ， 反式一2 ，6 一二甲基吗啉 顺式一2 ，6 一二申基吗啉 吣( c # 咀皿+ n 嚆擎半吗( c # 啦一搽 c h 3 己h 3 溴代异十三烷2 ，6 - - - 甲基吗啉 2 ，6 - - - 甲基一4 一异十三烷基吗啉 硕士学位论文2 , 6 二甲基吗啉及) 衍生物的合成和工艺研究 改变以往的选择溶剂使用共沸蒸馏来分离的方法，利用高效的分离手段，来分离出 去水，并获得9 9 纯度以上的顺式2 ，6 二甲基吗啉。 ( 3 ) 反式2 ，6 二甲基吗啉的异构化 我们选择了新型的催化剂来异构化反式2 ，6 二甲基吗啉，改变了以往用那些贵金属 催化剂所带来的成本压力。我们选择p b h z s m 5 作为新型催化剂，在2 4 0 ，6 m p a 下， 加氢催化异构化，获得顺式一2 ，6 二甲基吗啉。 ( 4 ) 2 , 6 二甲基4 异十三烷基吗啉的合成 采用了最简单的易得的原料合成了远超其价值的农药中间体。用顺式2 ，6 _ 二甲基 吗啉和卤代异十三烷在碱性条件下，在1 0 0 1 2 0 反应得到。得到了它们反应的最佳 条件，并得到了理想的产率。 22 , 6 - 二甲摹吗啉的合成 硕上学位论文 22 , 6 二甲基吗啉的合成 2 , 6 二甲基吗啉是氮氧杂环化合物，可以用它来制备多种精细化合物，例如，它可 以用来合成表面活性剂n 异十三烷基2 ，6 二甲基吗啉，同时它也可以作为抗真菌药阿莫 罗芬的原料，也可以制备成橡胶硫化促进剂和防锈剂、防腐剂、清洁剂、除垢剂、止痛 药、局部麻醉剂、水果保鲜剂、纺织印染助剂等等，在橡胶、医药、农药、染料等领域 运用广泛。 考虑到它广泛的应用性和在医药和农药中间体的重要性，本文对它作了系统的研究。 2 1 实验 2 1 1 仪器与试剂 仪器：四口烧瓶，冷凝管，分液漏斗，布氏漏斗，机械搅拌器，温度计，数显恒温 水浴锅h h z ( 常州国华电器有限公司) ，p t h w 型电热套( 河南巩义市英欲予华仪器厂) ， s h b i i i 型循环水式多用真空泵( 河南巩义市英欲予华仪器厂) ，c s l 0 1 a 型电热鼓风干 燥箱；a g i l e n t4 8 9 0 型气相色谱仪( s e 3 0 m x 0 3 2 m m ，f i d ) ；b o m e nm b l 5 4 sf t - i r 红外光 谱仪( k b r ) ；美国t h e m oe l e c t r o n 公司f i n n i g a nt r a c eu l t r a t r a c ed s qg c m s 联用仪； 卡尔费休测水仪。 试剂：二异丙醇胺含量9 8 ，浓硫酸含量9 8 o 含水量o 5 ，氢氧化钠，去离子 水。 2 1 22 , 6 二甲基吗啉的合成 2 1 2 1 实验操作1 2 】 采用向浓硫酸中3 s n - 异丙醇胺水溶液的进料方式，取1 0 0 m l 的四口烧瓶，加入2 0 m l 的9 8 的浓硫酸，而后，取二异丙醇胺2 8 0 0 9 与2 8 0 9 去离子水的混合溶液，用滴液漏 斗将它们滴加到浓硫酸中，并且用水冷却使液体温度不超过6 0 。c ，加料完毕后立即升温， 加热到1 8 0 或1 5 0 ，并保持3 h 或2 1 h ，然后降温，加入2 5 的氢氧化钠溶液中和反 应液，使其p h 值在1 2 1 4 之间，过滤，溶液分层，取上层黑色的溶液，对黑色液体采 用常压蒸馏，取9 1 - 1 2 4 。c 的馏分，这些馏分中含有6 0 左右的水，加入5 0 或饱和 的氢氧化钠溶液5 0 m l 和2 5 m i 两次脱水，最后就得到2 , 6 二甲基吗啉的粗产品，用气相 色谱分析纯度为9 8 以上。 6 9 8 0 , o h 2 s 0 4 午h 3 nff、ch28hb+h：。 c h 2 q ：r t i c h 3 h h 黜霉 h h，u n 硕士学位论文 2 , 6 二甲基吗啉及其衍生物的合成和工艺研究 2 1 2 2 产物表征 零 芦 3 0 0 02 0 0 01 0 0 00 w a v e n u m b e r c m 1 图2 12 , 6 二甲基吗啉的红外图谱 由图2 1 可以看出，3 4 5 4 4 c m j 为一个较强的峰，可以确定不是伯胺的n h 伸缩振 动产生的，而是仲胺的n h 的伸缩振动吸收峰，2 9 6 1 7 c m 。1 为c h 的伸缩振动吸收峰， 1 0 5 8 c m 。1 为c n 的伸缩振动吸收峰，1 0 2 6 7 为c o c 的伸缩振动吸收峰，7 9 1 5 e m - 1 为 c h 的变形振动吸收峰，图2 1 与2 , 6 二甲基吗啉的标准红外谱图基本吻合，由此可以 推测此物质为2 , 6 二甲基吗啉。 、i 、3 2 02 646 1 跗 跎 鸺 ；2 m 他 为 7i 一 o刁j|j丌t|1jjjjritrt=irn =嚣嚣嚣：嚣竺嚣： 22 , 6 二甲基吗啉的合成硕士学位论文 掣：名_ ：；篇：j 管器盛：甜1 “1 2 “5 1 0 0 1 0 5 ； 7 2 0 1 ”“ 1 1 3 ；1 1 1 0 0 6 一j ：二，磐：! ! ! ! ；_ ! j ! ! ! ；! ! ! ! ! ! i l 一一 9 08 09 01 0 01101 2 0 1 m z 5 e 。51 2 幽2 22 ，6 一二甲基吗啉的气质图 由图2 2 可以看出，两个图非常的相似，因为是顺反异构体，所以，得到的气质图 谱也很相似。从图中可以得到，m z 1 1 5 ( 1 0 0 ) 为2 , 6 二甲基吗啉的分子峰，m z 1 1 4 ( 5 ) 是 2 , 6 二甲基吗啉分子失去一个氢原子后生成带电碎片的峰，m z 1 0 0 ( 1 0 ) 是2 , 6 二甲基吗啉 分子失去一个甲基后生成带电碎片的峰，m z 7 2 ( 4 ) 是分子先失去两个甲基后在氧处开环， 再失去一个次甲基后生成带电子碎片的峰，m z 7 1 ( 1 0 0 ) 是分子先失去两个甲基后在氨处 开环，再失去一个亚甲基后生成带电子碎片的峰，r n z 7 0 ( 3 3 ) 是分子先失去两个甲基后在 氨处开环，再失去一个氨基后生成带电子碎片的峰，m z 6 8 ( 3 ) 是分子先失去两个甲基后 在氧处开环，再失去一个氧原子后生成带电子碎片的峰，m z 5 7 ( 3 ) 是分子先失去两个甲 基后在氨处开环，再失去一个亚甲基和一个氢原子后生成带电子碎片的峰，m z 5 6 ( 3 8 ) 是分子先失去两个甲基后在氧处开环，再失去一个次甲基和氧原子后生成带电子碎片的 峰。结合2 , 6 二甲基吗啉的标准质谱图可以判定产物为2 , 6 二甲基吗啉。 2 1 2 3 结果与讨论 在制备2 ，6 二甲基吗啉时，虽然反应是一个简单的脱水成环反应，但过程的控制是 非常重要的，尤其反应在1 6 7 。c 会发生一个质变点，反应会非常的剧烈，而且会放出大 量的热，而使反应物爆沸涌出反应瓶。因此，进行该反应必须控制好反应的温度。所以 在这个温度质变点两边我们要考察反应的温度影响。同时，反应的催化剂的用量以及反 r 硕士学位论文2 , 5 二甲基吗啉及其衍生物的合成和工艺研究 应时间的长短同样会影响到反应的进行，否则，反应会过度而生成大量的副产物。所以， 选择合理的反应时间和温度以及酸度( 二异丙醇胺与浓硫酸的摩尔比) 是至关重要的。 ( 1 ) 选择合理的实验温度、时间和摩尔比进行正交实验，以选择正确的实验条件。 低温反应的正交实验表如表2 1 所示： 表2 1 低温反应正交实验表 注：a 代表温度；b 代表时间；c 代表摩尔比a 1 a 4 分别为温度1 3 5 c ，1 4 0 c ，1 4 5 。c 1 5 0 。c ；b i ，- - b 4 分别为时间1 5 h ，1 8 h ，2 1 h ，2 4 h ；c 1 - - 一c 4 分别为摩尔比1 6 ，2 0 ，1 8 ，2 2 由表2 1 可以看出温度对反应的影响相对其他的条件最为重要，而温度与时间的交 互作用也很强。从表2 1 我们可以得到这样的信息1 5 0 c 为该反应的最佳温度，而时间 9 为1 8 h ，但考虑到温度与时间的交互作用，所以反应的时间应在2 1 h 左右，而酸度应取 1 8 。 高温反应的正交实验表如表2 2 所示： 表2 2 高温反应正交实验表 注：a 代表温度；b 代表时间；c 代表摩尔比a i a 3 分别为温度1 7 0 ，1 8 0 ，1 9 0 ：b 1 b 3 分 别为时间2 h ，3 h ，4 h , c 1 一- - c 3 分别为摩尔比1 8 ，2 2 ，2 0 由表2 2 可以看出温度对反应的影响相对其他的条件最为重要。从表2 2 我们可以 得到这样的信息1 8 0 为该反应的最佳温度，而时间为3 h ，酸度应取2 0 。 ( 2 ) 从正交实验表格中获得的条件再做平行实验以考察各因数的影响。 首先考虑温度的影响。 低温下反应温度对实验的影响 表2 3 反应温度对产率的影响 注： 反应条件：反应时间为2 1 h ，反应的摩尔比为2 0 由表2 3 可见低温下反应温度对该反应的影响是显著的，起先反应产率随着温度的 升高而缓慢的升高，当温度达到1 4 0 时出现一个相对的极大值，而后出现相对比较缓 和的趋势，接着随着温度的继续升高又出现下降的趋势。因而在温度为1 4 0 。c 的时候出 现了一个极大值。但随温度的升高，顺式一2 ，6 一二甲基吗啉的含量相对就要增加，而反 l o 硕十学位论文2 ，6 二甲基吗啉及j e 衍生物的合成和工艺研究 式一2 ，6 一二甲基吗啉的含量就相对的降低，可以说明在温度升高这一动力的促进下，反 式的异构体会进一步的向顺式异构体转化。 高温下反应温度对实验的影响 表2 4 反应温度对产率的影响 注： 反应条件：反应时间为3 h ，反应的摩尔比为2 0 由表2 4 可见高温下反应温度对该反应有显著的影响，起先反应产率随着温度的升 高而升高，当温度达到1 8 0 时出现一个相对的极大值，而后出现相对比较缓和的趋势， 接着随着温度的继续升高又出现急剧下降的趋势。因而在温度为1 8 0 的时候出现了一 个极大值。同样，在高温阶段随温度的升高，顺式2 ，6 二甲基吗啉的含量相对也增加， 而反式2 ，6 二甲基吗啉的含量就相对的降低，也说明了在温度升高这一动力的促进下， 反式的异构体会进一步的向顺式异构体转化。可以得到这样的结论，温度是影响反式异 构体向顺式异构体转化的重要因素之一。 比较表2 3 和表2 4 可以得到，低温下反应的产率要比高温下反应要好，而高温下 顺式异构体的含量相对要较高。究其原因可能是因为在相对比较低的温度时，各反应的 反应速率与高温时相比都相对比较低，包括其中的一些副反应。而在其中又以该主反应 的反应速率相对比较高，随着温度的升高，分子的运动加剧，分子间的碰撞几率加大了， 同时也使得反应的活化能的降低，这些因素就造成了各反应的反应速率的增加，而其中 又以主反应的反应速率增加的幅度相对其他一些副反应而言变小，这样就导致了上面的 结果。 ( 3 ) 考虑反应时间对反应结果的影响 低温下反应时间对反应温度的影响 表2 5 反应时间对产率的影响 注：反应条件：反应温度为1 4 0 ，反应的摩尔比为2 0 22 , 6 一二甲基吗啉的合成 硕_ 上学位论文 由表2 5 可以看到，在低温反应条件下，时间对反应的产率有比较明显的影响。随 着时间的延长，反应的产率迅速的上升，达到2 1 h 后，反应的速率明显降低，主反应达 到了一种平衡状态，随着时间的继续加长，副反应继续进行，导致副产物也明显变多， 产率开始下降。但从表中还可以看到反式一2 ，6 二甲基吗啉向顺式2 ，6 二甲基吗啉的转化 的平衡也是在随时间快速增加，到2 1 h 明显开始降低，反应逐渐达到一种平衡状态，但 顺式2 ，6 二甲基吗啉还是随时间的增加在增多的。 高温下反应时间对反应温度的影响 表2 6 反应时间对产率的影响 注： 反应条件：反应温度为1 8 0 h ，反应的摩尔比为2 0 由表2 6 可以观察到，在高温条件下，反应的产率也是先随时间的增加而剧增，但 达到2 h 后就变得缓慢了，3 h 后达到转折点，反应达到一种平衡状态，随后，沿着时间 的推移，产率也慢慢降低。同时，顺式2 ，6 二甲基吗啉的含量的变化也随时间的延长而 增加，也说明时间的延长有利于反式2 ，6 二甲基吗啉向顺式2 ，6 二甲基吗啉转化。 比较表2 5 和表2 6 后发现一点，反应的产率虽然在达到一定的时间后就达到最大 值，但时间的延长却有利于顺式一2 ，6 一二甲基吗啉的含量的增加。 ( 4 ) 考查反应的摩尔比对反应的影响 低温下反应摩尔比对反应温度的影响 表2 7 反应摩尔比对产率的影响 注：反应条件：反应温度为1 4 0 h ，反应时间为2 1 h 由表2 7 可以观察到，反应的摩尔比对反应结果的影响还是比较明显的。反应的产 率随着前期摩尔比的增加产率变化比较缓慢，到摩尔比达到2 0 以后就达到了一个最高 点，也是一个转折点。当摩尔比超过2 0 以后，产率会明显的下降，究其原因，可能是 1 2 硕士学位论文2 , 6 一二甲基吗啉及其衍生物的合成和工艺研究 当浓硫酸的浓度达到一定值后，尤其在低温下反应的时间比较长，一些副反应会大量的 发生，尤其后期有利于焦油的产生，这样会明显影响到反应的产率。 高温下反应时间对反应温度的影响 表2 8 反应摩尔比对产率的影响 注： 反应条件：反应温度为1 8 0 h ，反应时间为3 h 由表2 8 可以观察到，高温下反应的摩尔比对反应结果的影响还是比较明显的。反 应的产率随着前期摩尔比的增加产率变化比较缓慢，到摩尔比达到2 0 以后就达到了一 个最高点，也是一个转折点。当摩尔比超过2 0 以后，产率会明显的下降，究其原因， 可能是当浓硫酸的浓度到一定程度后，一些副反应会大量的发生，尤其后期高温有利于 焦油的产生，这样会明显影响到反应的产率。 比较表2 7 和表2 8 ，我们发现一个共同点，就反应的摩尔比不能超过2 0 ，当超过 这个反应的转折点后，产率会明显降低，原因上面已经谈过，比较发现，在低温下产率 的降低是由于时间的加长，在高温下，反应时间虽然减少了，但反应的温度升高了，产 率就下降了。所以，可以得到这样一个结论，温度和时间对本反应有很显著的影响。 ( 5 ) 考察了反应加料方式对反应的影响( 高温下) 表2 9 加料方式对产率的影响 注：反应条件：反应温度为1 8 0 h ，反应时间为3 h ，反应的摩尔比为2 0 由表2 9 可以看出，加料方式的不同对反应产率的影响不是很显著，但也有一定的 影响。我们发现同时加料的最终产率会比其它两种加料方式要高，究其原因，同时加料 更有利于浓硫酸和二异丙醇胺充分的混合，有利于它们形成稳定的铵盐，而不会发生不 必要的副反应。 2 1 3 反应机理1 1 6 - 1 8 1 该反应是一个典型的脱水成环反应，先是硫酸与仲胺形成胺盐，以保护氨基不会与 羟基发生脱水反应，然后，二异丙醇胺的一个羟基由于氢离子的进攻而形成带一个正电 1 3 22 , 6 - 二甲基吗啉的合成 硕上学位论文 荷的水分子，由于电荷的转移，最终以水分的形式而离去。正电荷转移到次甲基的碳上， 形成一个空的p 轨道。然后，另一个羟基上氧有一对孤对电子会对碳上的空的p 轨道进 行进攻，最终正电荷转移到羟基的氢原子上，而后离去形成的2 ，6 一二甲基吗啉的硫酸 铵盐，在5 0 氢氧化钠这强碱的进攻下，硫酸根离去，真正形成我们的目标产物2 , 6 - - 二甲基吗啉。具体反应机理图如下： 广h 3c h 3 , c h 3 n 芝郇嚣c h 2 c h - - + o h c h 3 t h 3t h 3 h s z c 3户h 3 一- h 2 0 郇h 篓羔6 ，郇h i + h 三叩h n c h 2 x 叹+ 0 驯c h c 三6 ，0 4 蚋c 岬加二叫s h7 o h _ r j c 、h 3 c h 3h 1 2 2 本章小结 等嚆； c h 3 矿h ：r 本章主要是介绍与改进了一种2 , 6 二甲基吗啉的合成方法，与以往的一些的合成方 法相比，该合成路线不仅原料易得，也避免了大量副产物的产生，而且反应条件比较缓 和，反应总产率也提高了。是一条比较有前景的工业化合成线路。本章考虑了各种反应 的影响因素如：反应温度、反应时间以及催化剂用量等等，分析原因得出以下结论： 常规加热条件下制备2 , 6 二甲基吗啉最佳工艺条件为：浓h 2 s 0 4 与二异丙醇胺的投 料比为2 ：1 ，加料方式为同时加料，反应温度为1 4 0 ，反应时间为2 1 h ，可以得到最 好的产物收率为8 8 6 。 1 4 硕士学位论文2 , 6 二甲基n 马啉及其衍生物的合成和工艺研究 3 顺，反2 ，6 二甲基吗啉以及水的分离 在合成2 ，6 二甲基吗啉的过程中发现，2 ，6 二甲基吗啉都以其水溶液的形式出现， 而且我们也发现当我们利用2 , 6 二甲基吗啉时，一般都是采用其无水的形式，所以获得 无水的2 , 6 二甲基吗啉成为必然。而其，就其两种构型中，顺式的利用率最高，所以我 们必须获得高纯度的无水顺式一2 ，6 二甲基吗啉。根据美国专利u s p a t n o 3 ，0 8 3 ，2 0 2 所 揭露的那样，利用共沸物如苯通过共沸来分离脱水，或者利用乙醚萃取出2 ，6 二甲基吗 啉中的水。但是，我们考察2 , 6 二甲基吗啉和水的性质发现，水和2 , 6 二甲基吗啉也是 共沸的( 7 0 的水含量，共沸温度为9 9 6 ) ，这种方法是很难行得通的，而且我们用 的溶剂回收，处理等等，也是一个很大的问题。所以，选择合理合适的分离方法是本文 研究的一个重点。 3 1 实验 3 1 1 实验仪器 仪器：精馏柱分离装置一套，分液漏斗，布氏漏斗，温度计，p t h w 型电热套( 河 南巩义市英欲予华仪器厂) ，s h b i i i 型循环水式多用真空泵( 河南巩义市英欲予华仪器 厂) ，c s l 0 1 a 型电热鼓风干燥箱：a g i l e n t4 8 9 0 型气相色谱仪( s e 3 0 m x 0 3 2 m m ，f i d ) ； b o m e nm b l 5 4 sf t - i r 红外光谱仪( k b r ) ；美国t h e m oe l e c t r o n 公司f i n n i g a nt r a c e u l t r a - t r a c ed s qg c m s 联用仪。 试剂：含水2 ，6 二甲基吗啉( 含水量6 0 左右，顺反比为7 7 ：2 2 左右) 3 1 2 分离实验 3 1 2 1 分离操作 1 9 。2 5 】 获得的含水的吗啉溶液加入到四口烧瓶中并连接到精馏分离装置中，打开真空泵， 对精馏柱进行减压，然后调节油浴加热装置，开始加热，关闭精馏柱中的回流阀，使精 馏柱中体系达到平衡，然后调节回流比，分离水、顺式2 , 6 一二甲基吗啉和反式2 ，6 一二甲 基吗啉。 3 顺，反2 ，6 二甲基吗啉以及水的分离硕士学位论文 3 1 2 2 产物表征 、o1 b = l 5 1 j 5 8e 5 172 883 0 1 07 31 2 - b 3 1 4 3 51 52 0 t l m m n ) o o d l 0 3 - i s c - 1 2 d 7 1 0 1r t ：2 8 2a 一1n l7 1 7 e 5 1 1 3 02 0 03 0 0 4 0 05 0 0o m e 图3 1 顺式一2 ，6 一二甲基吗啉的气质图 由图3 1 可以得到，m z 1 1 5 ( 1 0 0 ) 为2 ，6 二甲基吗啉的分子峰，m z 1 0 0 ( 7 ) 是2 , 6 二 甲基吗啉分子失去一个甲基后生成带电碎片的峰，m z 7 2 ( 5 ) 是分子先失去两个甲基后在 氧处开环，再失去一个次甲基后生成带电子碎片的峰，m z 7 1 ( 6 6 ) 是分子先失去两个甲基 后在氨处开环，再失去一个亚甲基后生成带电子碎片的峰，m z 5 6 ( 2 6 ) 是分子先失去两个 甲基后在氧处丌环，再失去一个次甲基和氧原子后生成带电子碎片的峰。结合顺式2 ，6 二甲基吗啉的标准质谱图可以判定产物为顺式2 ，6 二甲基吗啉。 1 6 硕士学位论文2 , 6 二甲基吗啉及其衍生物的合成和工艺研究 i i l l gl2 ；i 翟i 叁墓蘩蹇g i 雾 n 妙i i 基兰 ：二 岁k 、 o 。蛰w ，蹦。虹一一一一 图3 2 顺式2 ，6 二甲基吗啉的核磁图 由图3 2 可以得到，8 1 1 2 0 处的双重峰为2 , 6 二甲基吗啉上甲基上氢的化学位移， 8 3 5 7 0 处的多重峰为次甲基上氢的化学位移，8 2 4 9 6 处的单峰是氨上的氢的化学位移， 6 比较低是由于氨上氢的化学位移是变动的，随物质的浓度而改变的，8 2 8 0 0 处的双重 峰和8 2 4 0 0 处的三重峰是亚甲基上氢的化学位移，之所以会有两个峰，是因为亚甲基上 的两个氢所处的构型位置的关系，与次甲基氢在同一平面的氢，由于距离比较近而导致 化学位移比较大，与次甲基氢距离比较远的亚甲基氢，受的次甲基氢的影响相对较小， 同时又受到亚甲基上另一个氢的影响，应该产生对称的四重峰，但由于影响较弱，四重 峰退化而形成我们看到的三重峰。参考2 , 6 二甲基吗啉的标准核磁图谱可以判定该物质 为2 ，6 二甲基吗啉。 3 1 2 3 结果与讨论 通过实际的精馏过程，我们不但获得了合理的分离条件，而且得到了纯度9 9 以上 的顺式2 ，6 二甲基吗啉。 一套精馏装置，在操作过程中我们能够通过改变而影响精馏纯度的就两个因素：回 流比和填料。所以，我们对回流比和填料这两个因素进行了考察。 ( 1 ) 回流比对分离效果的影响 回流比控制的好坏对精馏有很大的影响，回流比过小，分离的纯度可能不是很高， 回流比过大，分离过程时间会很长，就会消耗大量的热量，浪费能源，这不是我们所愿 意看到的，所以回流比的控制非常重要。 1 7 3 顺，反2 ，6 - - - 甲基n | 5 啉以及水的分离硕士学位论文 表3 1 同流比对分离的影响 注：分离所用的2 , 6 一二甲基吗啉的水溶液水含量为6 0 左右，体积为1 5 0 m l 由表3 1 我们可以发现随着回流比的增大，分离所能得到的纯度也就越大，但分离 的时间也就相应的变长，也就是消耗的能量也就越来越多，就工业化生产的规则，选择 合理的回流比，使其既能过分离又可以消耗比较少的能源，这样3 h 成为我们的首选。 ( 2 ) 填料对分离效果的影响 填料对精馏柱而言是它的心脏，没有填料就不可能分离并提纯物质，因为填料的性 质直接影响到精馏柱的实际塔板数，也就是我们所说的塔效，所以填料选择的好坏直接 影响到分离的效果。 表3 2 填料对分离效果的影响 注：分离所用的2 , 6 一二甲基吗啉的水溶液水含量为6 0 左右，体积为1 5 0 m l ，回流比为3 由表3 2 可以看出，e 环的填料是非常理想的，满足本试验需求。 3 1 2 4 机理【2 6 】 由于顺反2 , 6 二甲基吗啉是异构体，它们的化学性质接近，不 能用化学的方法分离，但顺反异构体在物理性质上的差异，给分离 带来了突破口，利用它们沸点相差8 ，完全可以用精馏的方式来 获得它们的分离，并且获得很高的纯度。 利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回 流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束 下，使得易挥发组分( 轻组分) 不断从液相往气相中转移，而难挥 发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程 为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。 其精馏塔如右图所示。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段， 上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶 提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏 1r 硕士学位论文2 , 6 二甲基吗啉及t 衍生物的合成和工艺研究 重要特点。 在精馏段，气相在上升的过程中，气相轻组分不断得到精制，在气相中不断地增浓， 在塔顶获轻组分产品。在提馏段，其液相在下降的过程中，其轻组分不断地提馏出来， 使重组分在液相中不断地被浓缩，在塔底获得重组分的产品 精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相 回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件 下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足 够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重 组分产品。 3 2 本章小结 本章主要讨论了用精馏提纯顺式2 ，6 二甲基吗啉的过程，其中涉及到两个因素：回 流比和填料。我们也发现填料是内因，回流比是外因，填料的好坏决定了塔效，也就决 定了分离的效果。通过比较我们得到了我们理想的填料e 环。当然，外因也必须要考虑， 我们通过实验对比，与工业生产的规则挂钩，也获得了我们想要的回流比。在分离理论 踏板数为5 0 的情况下，我们用e 环获得的实际踏板数只有3 0 块左右，但是我们调空回 流比，在最佳回流比为3 的时候，我们获得了理想纯度的产品。 1 9 4 反式2 6 二甲基吗啉的异构化 硕- | ：学位论文 4 反式2 ，6 二甲基吗啉的异构化 2 ，6 一二甲基吗啉在橡胶、医药、农药、染料等领域应用广泛。 同时在2 ，6 一二甲基吗啉两种异构体中，其顺式2 ，6 一二甲基吗啉是